涵管土压力
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土体作用于涵管周围的压力。涵管的埋设方式主要有沟埋式、上埋式(或填埋式)与隧洞式3种(见图)。周围土体作用于涵管的土压力包括铅直土压力与水平土压力(侧压力),是涵管结构设计的主要荷载。涵管土压力的大小和分布规律与周围土体的沉降变形、管身和其下地基的变形有关,是三者相互影响的结果。
涵管及其受力分析图
(a)沟埋式;(b)上埋式;(c)隧洞式
沟埋式
在原有土层开挖一基本垂直的窄沟,在沟底埋设管道,然后再回填土料到预定高程,见图(a)。因管顶以上填土的沉降大于沟壁原状土的沉降量,填土受到沟壁向上的摩擦力作用,使填土作用于管顶平面沿管线单位长度上的铅直土压力(G1)小于填土重量(γHB,γ为填土容重,H、B分别为管顶以上填土深度和沟宽)。根据填土的静力平衡条件可导出
若涵管两侧填土的干容重等于或近于沟壁土的干容重,则
式(1)、式(2)中,Kv为沟埋式涵管铅直土压力系数,与填土的黏聚力(c)、内摩擦角(φ)以及侧压力系数(K)和H/B有关;D为涵管外径。
上埋式
安装在天然或已填成的土层表面,然后再在两侧和顶部填土,见图(b)。因涵管本身的压缩变形(δp)小于两侧与D等厚填土层的压缩变形(δm),致使管顶平面正上方的填土受其两侧填土向下摩擦力的作用,结果是作用于管顶平面的铅直土压力(G2)大于γHB。同样根据涵管上方填土的静力平衡条件可导出
式中,Kc为上埋式涵管铅直土压力系数。
隧洞式
在土层中用顶管法或盾构法施工的涵管。隧洞开挖时,洞顶土松动并因土的成拱作用形成卸力拱,见图(c)。卸力拱的曲线方程为
式中,fk为普氏坚固系数,对于一般土体,fk<2.0;L为卸力拱底宽,L=D[1+cot(45°+φ/2)];其他符号含义见图(c)。作用在管顶的平面铅直土压力强度为
上述3种涵管的水平土压力(或称填土侧压力),一般近似地按静止土压力或朗肯主动土压力计算。
沟埋式涵管的沟壁在填土初期形成的摩擦力有一个松弛过程,随摩擦力减小,作用在管顶平面的铅直土压力会有所增加。上埋式涵管如部分沟埋,即减小突出比(α0),或者在管顶铺设一定厚度的高压缩性轻质的填料,例如泡沫塑料块,使管顶以上填土的沉降大于两侧填土的沉降,这些措施均能减小上埋式涵管的铅直土压力。